無人飛行器集群智能調度技術綜述

2020-08-28 自動化JAS

隨著控制技術、通訊技術和智能調度技術的快速發展, 無人飛行器集群技術在區域監測與搜索、軍事偵察與打擊、信息通訊和物流運輸等領域得到廣泛應用. 無人飛行器集群技術能夠在極少人為幹預的情況下做出智能決策, 具有自組織性、協同性、並行性和安全性的優點, 是未來飛行器技術信息化、智能化發展的必然趨勢.


從無人飛行器的飛行高度與工作環境看, 目前無人飛行器集群的對象主要為無人機和衛星兩類. 二者具有諸多相同的特點:

1) 飛行運動約束強、速率大;

2) 集群任務中響應頻繁、容錯率低;

3) 受天氣環境等不確定因素影響顯著;

……


而隨著無人機和衛星技術的發展, 任務需求、規模、資源約束和工作環境等方面的複雜性和不確定性激增, 嚴重製約著集群任務執行的效率與可靠性. 因此, 如何通過智能調度技術為無人飛行器個體分配任務和有限的資源、避免任務和資源衝突、實現全局任務收益的最大化, 成為無人飛行器集群技術的關鍵.


待執行任務的無人機群


協同執行任務的多星系統


考慮到無人飛行器集群調度問題的任務複雜性、強約束性和NP難特性, 合理的任務特徵分析、準確的資源與約束建模, 以及針對性的智能求解方法尤為重要. 由此, 本文:


1) 分類介紹了無人機群訪問、打擊和察打一體化任務調度技術進展, 闡述了多星成像、數傳與天地一體化任務調度研究成果;

2) 梳理了無人機群和多星任務調度問題中資源、時序、飛行動力學或軌道、收益等方面的主要約束;

3) 總結並分析了蟻群算法、遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、分布式優化等智能優化方法在無人機群和多星任務調度中的應用.


同時, 未來日益增長的環境複雜性、需求多樣性和任務複雜性也不斷對無人飛行器集群調度技術提出更高的要求. 對此, 未來無人飛行器集群智能調度的研究可以向以下方向發展:


1) 進一步提升調度技術智能化水平. 如提升目標識別與預處理水平、分層調度和應急調度技術水平, 減少人為幹涉程度, 提升人為決策的調度層級等.

2) 提升異構無人飛行器集群協同能力, 發揮異構成員的獨有優勢、實現成員間優劣互補. 未來, 對遙感衛星與導航衛星、偵察機與轟炸機、攻擊梯隊與保障梯隊等異構無人飛行器集群調度將成為現實需求.

3) 發展空天地一體化任務調度技術. 綜合考慮空、天、地和時域資源與約束條件, 發揮多裝備、多平臺耦合效應, 發展面向未來信息化工業與軍事需求的空天地一體化智能調度技術勢在必行.

4) 開發通用式任務規劃與調度系統, 降低問題建模與求解方法之間的耦合程度、提升系統的集成性、適用性和可拓展性, 促進無人飛行器集群調度系統的增量式研發等.


文章信息：杜永浩, 邢立寧, 蔡昭權. 無人飛行器集群智能調度技術綜述. 自動化學報, 2020, 46(2): 222-241.

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